《走進“芯”世界》課程的探索與實踐

周煒，郭福，林健，漢晶，王乙舒，夏志東

(北京工業大學，北京)

芯片技術的發明，不僅改變了世界格局和大國之間的博弈，也改變了我們的日常生活方式。如果沒有芯片，就不會有手機、電腦、汽車、信息通訊、國際空間站等，人類已經須臾離不開芯片了。芯片技術的迭代也為人類社會的進步，生活的便利做出了巨大貢獻，掌握最先進的芯片制造技術，也就意味著在電子信息技術占領最前沿。

但是，當前國際經濟形勢風云變幻，去全球化風潮抬頭，世界各國掌握著不同的先進的芯片技術，其中美國具有較為完備的產業鏈。中國的缺“芯”現狀引起了廣大民眾對集成電路的關注。走在時代前沿的當代大學生迫切希望了解中國要想擺脫現狀需要付出怎樣的努力，需要從哪些方面實現技術突破[1-3]。大學公共選修課作為一種通識教育手段，在充分考慮學生興趣愛好和知識廣度的前提下開設，可以構建針對全校不同專業學生的教育內容，拓寬學生視野[4]。

《走進“芯”世界》是北京工業大學材料制造學部為全校本科生開設的一門通識選修課，課程內容涵蓋了芯片發展史、芯片制造工藝流程、芯片封裝測試、全球經濟一體化背景下芯片制造產業鏈情況、芯片在未來可能的發展方向以及相關實驗等內容。通過該課程的學習，以期使學生了解芯片制造技術是一門集化學、物理學、材料學、機械學以及信息學等眾多學科于一身的工業制造技術，涉及到材料、工藝、軟件、設備等的研發；可以幫助學生理解工程技術與基礎科學之間的內在聯系，初步建立科學技術研發對商業經濟發展的革新作用，對激發學生創新思維具有重要地位和作用。

一 學情分析

首先針對學生選課結果分析學生特點和知識結構，統計結果如圖1（a）所示。選課學生主要集中于大學二年級，是學生剛開始接觸自己所學專業課，初步探索并了解自己所學知識在未來的應用方向，因此有必要在授課過程中結合課程內容講述芯片制造產業鏈中的企業以及我國在相關行業的現狀；針對有一定專業知識背景的大三學生，講述行業相關知識來擴充知識廣度同時可以為大四學生在未來發展方向提供參考。

圖1（b）是學生所學專業統計，可見學生專業知識復雜，最多的是自動化專業。針對學生選課情況，有必要對學生選課目的進行調研，在第一堂緒論課前準備了三個問題，依次為：1.談談自己對芯片的認識；2.為什么選這門課程？3.通過這門課程想學到什么知識？根據學生回答情況，統計后又主要是以下幾種結果：①出于興趣愛好想了解芯片；②學習芯片內部結構、原理、制造流程及芯片研發過程；③了解手機芯片知識、光刻機；④芯片是如何工作、發揮作用、維持產品運作；⑤了解芯片相關產業和公司現狀；⑥了解芯片行業的就業前景、前沿成果。根據統計結果，可以有針對性地對課程內容進行調整，滿足學生知識獲取目的的同時使得教學效果達到最優。

圖1 學生選課分析(a)年級分布，(b)專業分布

二 融入課程思政

在授課過程中，融入課程思政。孟子曰：“天下之本在國，國之本在家，家之本在身。”弘揚家國情懷，有利于引導學生樹立以家國天下為重，以民族大義為念，把個人理想追求融入實現中華民族偉大復興中國夢的不懈奮斗中。教育部《完善中華優秀傳統文化教育指導綱要》指出，突出強調大學生的個人修養、社會關愛、家國情懷使其具有終身發展能力[5]。

結合海外留學歸國人士的經歷，讓同學們體會到，不論男女，學成歸國，報效祖國，不僅是我們先輩的使命，也是我們每一代人，每一個中華兒女的使命；我們一直是一個不屈不撓，努力奮斗的民族。①講述我國芯片制造史時，介紹中國科學院院士、中國半導體奠基人黃昆于1951年放棄愛丁堡大學優越的科研和生活條件，毅然回國任教，培養了一批又一批棟梁之材，為新中國的半導體教育和科技事業建設做出巨大貢獻。同時給同學留課下作業，讓學生自己查閱與黃昆院士具有相同經歷的復旦大學第一任校長，中國科學院院士謝希德；②在介紹芯片制造工藝過程中，結合化學機械拋光工藝，向同學介紹近年來海外留學歸來的安集科技董事長王淑敏，是我國化學機械拋光液的拓荒者；③在講述半導體制造中的刻蝕工藝時，向同學介紹中微半導體設備（上海）有限公司創始人尹志堯，同樣是海外歸國，打破了等離子體刻蝕機的國外壟斷現狀。

三 豐富教學模式

在專業知識講述過程中，為了提升授課質量，提高學生的注意力，結合提問、播放視頻、攜帶教具、設置實驗、學生自己講述等內容進行授課[6-8]。

1.設置問題。在講述P型摻雜半導體、N型摻雜半導體以及PN結時，首先進行提問：包括什么是半導體，半導體主要用的材料是什么？等較為基礎的知識進行提問，學生回答過后，繼續講述課程內容，隨后播放相關視頻，從微觀上感受到P型摻雜和N型摻雜是發生了怎樣的過程，PN結的形成機理以及PN結在微觀上如何實現電子的單向導通。

2.實物展示。在講述完硅片制造工藝后，帶來4寸和8寸的硅片給同學展示，讓同學近距離觀察硅片。

3.視頻演示。講述芯片與基板的互連時，播放引線鍵合的視頻和BGA焊球的熔化焊接過程；講述表面組裝技術（SMT）時候，講述完成后，將SMT的八個步驟以視頻形式播放。

4.結合實例。在講述完芯片制造封裝形式后，結合北京工業大學的電子封裝大賽，講述封裝大賽制作的“自動循軌小車”所用的封裝形式。

5.自己動手。在講述完芯片制造的后道工藝后，讓學生做焊接U盤的實驗，實際動手體會電子封裝過程中所涉及的部分，如圖2所示。

圖2 U盤組裝流程圖

6.展示自己。鼓勵學生上講臺，題目內容不限，講述和芯片相關的知識。學生分別講述了微波器件和封裝設計等內容，擴充課堂授課內容的同時鍛煉學生的講述能力。

四 強化知識應用

結合授課目的和學生選課目的，在講述芯片制造工藝過程中，簡述芯片制造行業的相關歷史及相關企業。

1.芯片發展史。在講述芯片前世今生時，結合二極管發明人威廉·肖克利講述貝爾實驗室取得的成就，包括獲得XXX次諾貝爾獎等，讓同學們通過實例感受到科技創新對商業發展甚至人類社會發展的重要作用。

2.結合半導體產業鏈的設計、制造、封測三個主要內容，簡述與這三個主要內容相關的企業和廠商[9]。部分產業鏈與相關企業如圖3所示，通過工藝和企業的結合講述，讓選課同學體會到芯片制造業是一個龐雜的工業體系，每個細分領域涉及眾多企業，頭部企業占據了市場主要的份額。

圖3 芯片制造工藝及部分企業

3.在講述光刻工藝，特別是光刻機時候，結合《光刻巨人：ASML崛起之路》向同學講述光刻機的發展史以及ASML的崛起過程[10]。

4.在講述芯片前道工藝后，結合臺灣積體電路制造股份有限公司(臺積電)和中芯國際講述芯片代工是如何出現的及其在芯片制造產業鏈中的重要作用。

5.在講述芯片設計工藝時，結合華為發展歷程和華為海思講述我國在芯片設計所做的研發工作及面臨的問題。

6.講述離子刻蝕工藝時結合中央二套的《中國財經報道》講述我國離子刻蝕機的現狀等內容。

五 結語

本課程從芯片制造產業鏈角度講述芯片在科技發展中的作用、全球經濟一體化下科學技術與經濟發展的相互關系及其在祖國建設中所扮演的角色。基于芯片制造工藝的學習，構筑學生合理的工藝產業鏈思維、建立學生分析科學技術發展與經濟全球化的關系，開闊學生視野、激發學生的創新思維、培養學生全局觀的綜合能力。